Traitement des eaux usées - leesu.fr traitement des eaux usées –Répartition par département: 2...

Traitement des eaux

usées

Daniel Thévenot & Gilles Varrault

LEESU Université Paris-Est Créteil, ENPC, ENGREF

(UMR-MA 102)

http://leesu.univ-paris-est.fr/Traitement-des-eaux-usees-2005.html

11/11/2016 Thévenot D.: Eau-Usee-Traitement-2005.ppt 2

En intégrant l’action de l’homme [Source]:Sagep

Introduction: eau en ville


Sommaire

0- Introduction

1- Assainissement

2- Prétraitement

3- Traitements chimiques

4- Traitements biologiques aérobies

5- Traitement biologiques anaérobies

6- Traitement des boues

7- Traitements tertiaires

8- Procédés rustiques d'épuration

9- Assainissement autonome (individuel)

10- Conclusion


0- Introduction

Pollutions des eaux usées domestiques et industrielles (eaux résiduaires)

– Grossières• Volumineuses: déchets, ordures

• Lourdes: sables, graviers, ferrailles

• Légères: flottants, graisses, huiles

– Particulaires• Minérales (argiles) ou organiques (domestique)

• Décantables ou non décantables

– Dissoute• Matière organique, azotée, phosphorée


0- Introduction

Effets des rejets directs sans traitement ?

– Matière organique et bactéries

consommation d’oxygène dissous

asphyxie des poissons

– MES contaminées dépôt de sédiments et

relargage différé de polluants

– Pollution dissoute (ammonium, nitrates, phosphates)

eutrophisation, toxicité, difficultés de production

d’eau potable

Pourquoi traiter les eaux usées domestiques

et industrielles Réglementation !


0- Introduction

Politique d’assainissement

européenne et française

– Directive européenne du 21 mai 1991

(91/271/CEE), loi sur l ’eau 3 janvier 1992,

Décrets n°94-469 & 2000-318

• Obligations de collecte, traitement et contrôle

• Modulées selon taille agglomération et

sensibilité du milieu récepteur zone sensible

– Sujette à eutrophisation: rejets N & P à réduire

– Protection spéciale: prise eau, baignade, pisciculture…


0- Introduction

Politique d’assainissement européenne et

française

– Directive européenne du 21 mai 1991 (91/271/CEE),

loi sur l ’eau 3 janvier 1992, Décrets n°94-469 &

2000-318 (voir www.cieau.com )

• Valeurs limites de rejets:

– MES: 35 mg/l ou 90% réduction

– DBO5: 25 mg/l ou 70-90% réduction

– DCO: 125 mg/l ou 75% réduction

– N global: 10-20 mg/l ou 70-80% réduction Zones sensibles

– P total: 1-2 mg/l ou 80% réduction Zones sensibles

• Responsabilité communale: budget propre, distinct

alimenté par prix de l’eau potable

– Directive cadre sur l ’eau (DCE) (décembre 2000)

http://www.cieau.com/


0- Introduction

Équivalent habitant: rejets quotidiens

– Volume eau: 180-250 L (Paris: 500 L)

– MES: 90 g

– DBO5: 57 g

– Azote total: 15 g

– Phosphore total: 4 g (50% avec détergents)

– 10 11 Coli fécaux


0- Introduction

Zones

sensibles

– 23 nov. 1994

– 31 août 1999

– Extension

régulière !


0- Introduction

Pollutions des eaux usées domestiques– Solides

• MES: 100-400 mg/L 200 mg/L (55% décantable)

– Matière organique• DBO5: 150-1000 mg/L 200 mg/L (25-30% décant.)

• DCO: 300-1000 mg/L 400 mg/L (30% décantable)

• COT: 100-300 mg/L 150 mg/L (30% décantable)

– Nutriments• Ammonium: 20-80 mg/L (0% décantable)

• NTK (N organ. + NH4+): 30-100 mg/L (<10% décant.)

• Nitrate: < 1 mg/L (0% décantable)

• P total: 10-25 mg/L (10% décantable)

• Détergents: 10-25 mg/L (0% décantable)

– Toxiques: métaux, solvants, PCB, HC & HAP…

– Coliformes fécaux: 10 17,5 / 100 mL


0- Introduction

Situation Française

– Institut Français de l’Environnement IFEN, Données de l’Environnement, n°76, août -septembre 2002 & 98, décembre 2004

– Réseau de collecte

– Parc des stations d’épuration en France

– Rendement d’épuration: C, N, P


En France : collecte

Logements: raccordés à l ’égout (%)

37%

80%

IFEN (76) 2002


En France : collecte

Assainissement collectif ou autonome

(1998)

IFEN, 2002

79%

76%

19%

2%


En France : traitement

Logements sans

traitement des eaux

usées

– Répartition par

département: 2 à 10%

– En 2001

• 47,1 106 hab STEP

• 5,1 106 hab

assainissement

autonome

• 720.000 logements

sans traitement

• 660.000 logements

raccordés mais sans

STEPIFEN, DE98, 2004


En France : épuration

Stations d’épuration en 1998 & 2001– Stations d’épuration: 15.400 16.100

– Capacité de traitement (millions équivalent habitant): 81,3 86,4 (47,1 raccordés)

– Petites stations ( < 1.000 équivalent hab.)• Nombreuses: 60%

• Capacité faible: 4%

– Grosses stations ( > 100.000 équivalent hab.)• Peu nombreuses: 1%

• Capacité élevée: 44%

– Volume traité: 5,6 109 m3/an (1998 +25%)

– Marché: Vivendi (29%), Ondéo (19%), Saur (6%)



STEP: nombre de stations aménagées

en 1990-98 efforts sur grosses STEP

IFEN (76) 2002



Types de traitement: volumes/an selon

taille STEP (2001)

IFEN, DE98, 2004


En France : % épuration

IFEN, 2002

Epuration MOOx ( 88%) >> N = P (44%) Légère amélioration pour MOOX !


Assainissement de la

région parisienne: histoire

Champs d’épandage : 1895 à 1998

– Achères, Triel, Pierrelaye

– Depuis 2000 irrigation avec eau traitée

(Colombes)

SIAAP, 2005


Assainissement de la

région parisienne:

épandage

Achères: champs d’épandage/irrigation

SIAAP, 2005


Projets

2005 - 2010

SIAAP

SIAAP 2001

Projet d'assainissement de l'agglomération

parisienne à l ’horizon 2005 - 2010

PARIS

Usine d'épuration existante

Usine d'épuration en projet

Tunnel de stockage des eaux pluviales

Réservoir de rétention des eaux pluviales

Îlot de survie piscicole

"Seine aval"

Les grésillons

"Seine amont"

"Marne aval"

La Morée

"Seine centre"

SIAAP 2001

2 nouvelles STEP


Europe: épuration eaux

Population raccordée: type de STEP

1. MES

2. C

3. N, P

EEA, OECD2002


0- Filière de traitement

Filière

biologique

– prétraitement

– traitement

(secondaire)

– traitement des

boues

– traitement

tertiaire

(éventuel)

S. Gillot, 2002



des eaux usées



Des questions ?


1- Assainissement

Définitions: collecte des eaux usées(résiduaires)

– Coût de l’assainissement ≥ épuration

– Réseaux d’assainissement unitaires et séparatifs(réseaux pluviaux séparés)

Traitements en réseaux– Dégrillage: déchets encombrants (flottants)

– Dessablage: chambres à sable

– Association dessablage et arrêt des flottants:chambre de « rétention des pollutions)


1. Assainissement

Collecte des eaux usées Fonction = recueillir les eaux usées detoutes origines et les acheminer vers lesstations d’épuration Deux types de réseaux

–Réseau unitaire : eaux usées et eaux pluviales (réseaux anciens des centres villes)–Réseau séparatif : 2 collecteurs séparés

• un pour les eaux usées domestiques et industrielles

• un autre pour les eaux pluviales

(réseaux plus récents: périphérie des villes)


1- Assainissement

Collecteur romain à Athènes (Agora)

– Collecteur couvert de dalles

Réseau d’assainissement parisien

– Mis en place: XIXème

siècle


1- Assainissement

Réseau

d’assainissement

parisien

– Unitaire

– Visitable

– Accueille autres

réseaux

• Eau potable

• Eau lavage rues…


1- Assainissement: France

Longueur du réseau assainissement

< eau potable (pour petites communes)

IFEN, 762002


1- Assainissement: France

Longueur des réseaux: dépend taille de

l’agglomération et type de réseauRéseau séparatif majoritaire

IFEN, 762002


1- Assainissement

Conclusion

– Taux de raccordement au réseaud’assainissement: France 1998 (76%)

– Assainissement autonome (19%)

Cas de la région parisienne

– Syndicat Intercommunal d ’Assainissementde l ’Agglomération Parisienne (SIAAP)

– Schéma directeur du SIAAP: 2005-2010


1- Assainissement

Des questions ?


2. Pré traitement

Introduction: principe

– Séparation par taille

• Dégrillage, tamisage

– Séparation par masse volumique ou

densité par rapport à l ’eau (deau)

• Dessablage: deau > 1

• Déshuilage: deau < 1

• Décantation primaire: deau légèrement > 1

Procédés physiques, sans réactif


2- Prétraitement

1. Dégrillage

2. Dessablage

3. Déshuilage

4. Décantation primaire– Particules: grenues ou floculées

– Chute des particules: équation de Stokes

– Décanteur idéal de Hazen

– Décanteur réel: gestion

– Décanteur lamellaire


2.1.Dégrillage

Principe et technique

– Déchets grossiers (taille)• Dégrillage moyen (1 à 10 cm)

• Dégrillage fin (1-15 mm)

– Vitesse écoulement suffisante: déchets appliqués sur les grilles: 0,5-1 m/s

– Distance entre barreaux: 0,1 à 10 cm

– Nettoyage des grilles• Manuel: petites stations (peignes)

• Automatique: peignes automatiques (courbes, droits ou en chaîne continue)


2.2. Dégrillage

Assainissement des

agglomérations Agences de l ’eau & Min.

Environnement (1994)

Grille mécanique courbe: mouvement circulaire


2.1.Dégrillage

Grille à câble

avec grappin

– Mouvement

aller-retour

Assainissement des




2.1. Dégrillage

Grille

mécanique

droite

– Mouvement

continu

Assainissement des




2.1. Dégrillage

Grille

mécanique

droite

– Mouvement

continu

SIAAP (2004)


STEP Pierre Bénite (Lyon)

Dégrillage

D. Thévenot 2004


2.1. Dégrillage: tamisage

Principe

– Tamis métallique : 0,5 à 2 mm

– Analogue à un dégrillage fin

Technique

– Grille verticale concave

– Tambour rotatif

• Flux entrant + racloir

• Flux sortant + racloir


2.1. Dégrillage

Volume

recueilli

2-20 L/hab./an

selon distance

entre les

barreaux

Distance entre barreaux

Assainissement des




2.2. Dessablage

Principe et technique– Sédimentation des sables : deau > 2

– Particules millimétriques : 0,2 à 2 mm

– Diminution de la vitesse d ’écoulement par augmentation de la sectionQ = S1 * v1 = S2 * v2

avec S1 1 m2 et S2 10 m2 ou plus

– Technique• Canal

• Bassin rectangulaire

• Bassin circulaire

• Hydro cyclone

– Sables récupérés en fosse


2.3. Déshuilage


– Flottation facilitée par insufflation d ’air (fines bulles) émulsion

– Cloison siphoïde arrêtant les « flottants »: huiles et graisses

– Aspiration des « flottants »

– Technique• Bassin rectangulaire

• Bassin cylindro-conique

• Turbine: cyclone

• Alternative pour bateau pétrolier: tambour oléophile


2.4. Décantation

primaire


– Décantation de particules sub-millimétriques :

20 à 200 µm

– Particules grenues: limons

– Particules de taille croissante: agrégation

par floculation de la matière organique

– Ecoulement très lent : temps de séjour

hydraulique 1 heure

– Boues récupérées en fosse


Essen (Allemagne):

usine de traitement

Station épuration

– Dégrillage, décantation, boues activées

(recouvertes de bâches: odeurs)

D. Thévenot 1991


2.4. Décantation

Particules sédimentables

– Grenues: diamètre constant

– Floculées / floculables: diamètre croissant

Loi de Stokes (particules grenues)

– Chute uniforme, écoulement laminaire:

poids P - poussée Archimède = frottement f

conduit à

p

P

ffA l’équilibre

P + p = f

18

..2 gdvs


2.4. Décantation

Loi de Stokes

– vs vitesse de chute des particulessphériques (m/s)

s masse volumique des particules solides(kg/m3)

l masse volumique du liquide porteur(kg/m3)

- CD coefficient de frottement

p

P

ffA l’équilibre

P + p = f

gVP s .. gVp l .. AvCf sDl ....2

1 2


2.4. Décantation

p

P

ffA l’équilibre

P + p = f

3..3

4rV

2.rA

n

D ReaC .

ls dvRe

..

Loi de Stokes• V volume des particules (m3) :

• A section des particules (m2) :

• g accélération de la pesanteur (m/s2)

• CD coefficient de frottement ou de traînée (sans dimension) :

• Re nb de Reynolds (sans dim.) :

• d diamètre des particules (m)

viscosité dyn. eau (Pa.s ou kg/m.s)

si mouvement uniforme:

223 .....2

1....

3

4rvCgr slD

d = 2 r


2.4. Décantation

Loi de Stokes• Régime laminaire donc CD = 24/Re

• D ’ou

p

P

ffA l’équilibre

P + p = f

223 ....24

.2

1....

3

4rv

Regr sl

223 ......

.24.

2

1....

3

4rv

dvgr sl

ls

18

..2 gdvs


2.4. Décantation

Loi de Stockes: quelle action sur les paramètres ?– lester les particules organiques avec des

sables fins

– d2 (importance de l’agrégation et floculation) ajout de réactifs (voir traitement chimique des eaux)

– Si diamètre d < 2,5 µm (bactéries): importance du mouvement Brownien floculation nécessaire

– Mode d’écoulement autour de la particule important: nombre de Reynolds dépend du régime: laminaire…

18

..2 gdvs


2.4. Décantation

Vitesses de décantation théoriques:

loi de Stokes

F. Edeline Épurationphysico-chimique des eaux (1992)

Décantation des bactéries impossible sans agrégation: boues activées


Décanteur rectang. idéal: trajectoire lim.

– Décantation de particules grenues

– Décantation de particules floculantes

2.4. Décantation

Assainissement des




2.4. Décantation

Décanteur idéal (Hazen): trajectoire ou

particule « limite » arrêtée– h0 profondeur du bassin (m)

– t temps de séjour hydraulique t = V / Q (s)

– S surface libre du bassin (m2)

– Q débit traversier (m3/s)

– V volume du bassin (m3)

pas d’effet de la

profondeur h0 ! S

Q

S

tV

tS

hS

t

hv

.

. 000


2.4. Décantation

Décanteur idéal: trajectoire limite

– Décanteur rectangulaire & cylindrique

– Particules grenues



2.4. Décanteur réel

Variation de hauteur du « voile de

boue »

Assainissement des



Décantation

progressive en bassin

non alimenté

C0 h0 = CM hM


2.4. Décanteur réel

Conduite des décanteurs


Normal SurchargeLimite


2.4. Décantation

Décanteur longitudinal (rectangulaire)– Racleur à déplacement alterné

Assainissement des agglomérations, Agences de l ’eau & Min. Environnement (1994)


2.4. Décanteur

Décanteur cylindrico-conique– Pas de racleur: fond à forte pente !

Assainissement des




2.4. Décanteur

Décanteur cylindrique raclé

– Modèle le plus fréquent



STEP Seine aval

Achères IV• Décanteurs primaires, secondaires


STEP Pierre Bénite

Anciens décanteurs circulaires

raclés

D. Thévenot 2004



Nouveaux décanteurs circulaires

raclés

D. Thévenot 2004


2.4. Décanteur lamellaire

Décanteur lamellaire: principe

Inclinaison pour

limiter le

colmatage


S = N ( S0 cos )



Faisceaux ou lamelles constitués




Forces s ’exerçant sur une particule

– Frottement (écoulement

de l’eau)

– Pesanteur

- poussée

d’Archimède




Trajectoire limite de la particule

captée la plus petite

– Écoulement ascendant

(contre courant)

– Vitesse d’écoulement

dépend de la

distance

aux plaquesF. Edeline Épurationphysico-chimique des eaux (1992)



Différents types d’alimentation en

eau usée

1

321

3

2

eau

eau

eau

1 Contre courant2 Co-courant3 Courants croisés


2.4. Décanteur

Décanteur lamellaire à contre

courant

– Alimentation

ascendante

Assainissement des




2- Prétraitement :

décantation

Décanteur lamellaire à contre-courant

– Multiflo

(OTV) à

racleur

– 600 plaques

75 mm

0,7-1 m/h


2.4. Décanteur

Décanteur lamellaire à co-courant

Alimentation

descendante

Assainissement des agglomérations

Agences de l ’eau & Min. Environnement

(1994)


2.4. Décanteur

Décanteur

lamellaire

à courants

croisés

– Alimentation

horizontale

Assainissement des agglomérations Agences

de l ’eau & Min. Environnement (1994)


2.4. Décanteur

Conclusion: comparaison des ≠ types

Type V = Q / S

(m/h)

Boues (g/l)

Décanteur

statique

1 1 - 5

Décanteur pulsé 4 – 5 1 - 10

Décanteur

lamellaire

8 - 10 1 - 8

Décanteur

lamellaire à

recirculation

25 – 35 30 - 80


2.5. Prétraitement :

conclusion

Traitement des refus (de grille),sables et graisses

– Avec les ordures ou les boues secondaires

Conclusion

– Performances globales

• environ 50% (MES & matière organique)

– Application

• systématiquement présent en STEP

– Perspectives : automatisation


2.5. Prétraitement

Des questions ?


3- Traitement chimique

des eaux: plan

3.1 Principe et technique

3.2 Coagulation & floculation

3.3 Caractérisation des eaux et desréactions

3.4 Conclusion et perspectives


3.1 Trait. chim.: principe

Colloïdes

– Taille : 1 nm à 1 µm

Nature

– Minérale : hydroxydes Fe, Mn, argiles

– Organique : macromolécule

– Adsorbant micropolluants

Charge surfacique

– Souvent < 0 (groupes -O-, -COO-, ..)

Coagulation

– Agrégation par neutralisation des charges de surface



Principe de coagulation - floculation

– Diminution des charges de surface par

polyélectrolytes cationiques: coagulation

– Agrégation naturelle des colloïdes

déstabilisés: floculation

– Adsorption de micropolluant dissous sur

flocs

– Déphosphatation : phosphates d’Al ou Fe

– Décantation des flocs (très fragiles)

• 0,1 à quelques mm



Réactifs

– Coagulation

• Al2(SO4)3 : 15-300 mg/L

• FeCl3 : 5-300 mg/L

• FeSO4 : 15-300 mg/L

• Cations organiques: mélanine formol, épichlorhydrine,

polychlorure de diméthylamine 5-50 mg/L

– Floculation

• Minéraux : silice, argile, poudre de charbon actif

• Organique : alginates, amidons, polyacrylamide, polyacrylate



Assainissement des agglomérations

Agences de l ’eau & Min. Environnement

(1994)

Conditions hydrodynamiques: étapes

– Coagul.

– Floculat.

– Décant.


3.1 Trait. chim.: technique

Principe

de STEP

à traite-

ment

chimiqueAssainissement des agglomérations Agences de l ’eau & Min. Environnement (1994)

Prétraitement

Coagul-flocul Décantation


3.1 Trait. chim.: technique

Décanteur - floculateur raclé à

entraînement périphérique

– Coagulation - floculation au centre



3.2 Mécanisme trait. chim.

Étapes de la

coagulation-

floculation

– Neutralisation des

charges de surface




Charge de surface: particule chargée

dans solution ionique

F. Edeline Épurationbiologique des eaux (1993)



Floculation sphérique

– Expulsion eau granulés

F. Edeline Épuration biologique des eaux (1993)



Floculateurs à barres, plaques

perforées, pales

– Tourbillons entraînant

les particules



3.3 Caractérisation des

eaux

Jar test: floculateur pilote (4 postes)

– FLOCLAB

VWR 2003

• 4-6 postes

• 15-200 rpm

• illumination

• minuterie

• 1,6-2,2 k€


3.3 Caractérisat. des eaux

Mesure du potentiel Zêta ( charge)

– Vitesse de déplacement des particules

- 35 mV (nat.) - 20 mV 0 mV coagulation



3.4 Trait. chim.: conclusion

Conclusion

– Performances d’épuration satisfaisantes

– Avantages : rapidité de réglage (pompes)

– Inconvénients

• Consommation de réactifs : Al, Fe, floculants

• Rejet de Fe ou Al dans les boues

– Domaines d ’application

• Agglomérations de montagne (température

faible impropre à traitement biologique)

• Sites touristiques à population très variable

• Cas particulier: ville de Marseille


Ville Marseille: épuration

Station d’épuration sous stade Delort



Chantier de

construction

– Novembre 1985

– 360.000 m3/j

– Traitement primaire

– Traitement secondaire

chimique

– Décantation lamellaire

– Rejet en mer

– Boues traitées ailleurs !



Primaire: dégrillage,

dessablage, déshuil.

Primaire:

décantat.

Coagul-

flocul.,

décantat.


3- Traitement chimique

des eaux

Des questions ?


4- Traitement biologique

aérobie : plan

4.0 Principe & classification

4.1 Lits bactériens

4.2 Disques biologiques

4.3 Biofiltres et lits triphasiques

4.4 Boues activées

4.5 Dimensionnement des boues act.

4.6 Conclusions & perspectives


4.1 Trait. biol. aérobie:

principe & classification

Principe– Biodégradation aérobie de la matière organique

– Adsorption des micropolluants sur biofilm ou floc

Type de culture bactérienne

– Libre (flocs bactériens)

– Fixée (biofilms)

Type d ’aération

– Libre

– Forcée: surface ou bullage




Classification des procédés

– Culture bactérienne fixée (fixation spontanée)

• Lits, disques, lits fluidisés, biofiltres

– Culture bactérienne libre

• Boue activée

– Autres

• Rustiques (libre): lagunage Section 8 de ce chap.

• Individuels ou autonomes (culture fixée: épandage) Section 9




Avantages & inconvénients

– Aération forcée : flux mais coût

– Culture fixée : concent. bactéries mais aération & agitation nécessaires



4.1. Lits bactériens


– Ruissellement séquencé de l’eau à traiter

– sur matériau ( quelques cm) naturel (scories, pouzzolane) ou artificiel (anneaux, plaques…) entassé sur 3-6 m de hauteur

– Aération naturelle : effet cheminée (biodégradation exothermique)

– Décantation secondaire (séparation biofilm) et recyclage partiel de l ’ eau

– Aucune consommation énergétique


4.1. Lits & disques

bactériens

Lits Disques

F. Edeline Épuration

biologique des eaux (1993)



Matériaux de remplissage (50-98% vide)

– Quelques cm de diamètre ou distance




Principales caractéristiques• Charge volumique : Cv (kg DBO5/m

3 bassin/j)• Charge hydraulique : Ch (m

3 /m2 bassin/j)• Recyclage r : 0 à 6• Temps de séjour : 1 à 15 min• Rendement épuration DBO5 : 75 à 85%



4.2. Disques biologiques

Schéma de principe

– Rotation lente des disques

– Support à biofilms



4.3. Culture fixée

Biofiltres ou lits triphasiques– Granulés (5 mm)

• schistes expansés, argile densitéeau > 1

• polystyrène densitéeau < 1

– Réacteur plein d ’eau: lit fluidisé ou biofiltre

– Aération forcée: fines bulles

– Fréquent lavage - décolmatage du biofiltre

– Décanteur secondaire: séparation du biofilm décroché

– Fort rendement mais coût élevé (équipement, fonctionnement) STEP Seine-Centre à Colombes


4.3. Culture fixée

Biofor (Degrémont) sur Biodamine

Charge hydraul. 10 m3/m2/hsoit 10 à 100 fois lit bactérien

Lit fluidisé

3-4m

12 m

Filtration asc.Lavage ascend.


4.3. Culture fixée

Biofiltre : Biocarbone (lit fixe)– Filtration

descendante

– Lavage

ascendant


4.3. Culture fixée

Biofiltre: Biostyr (lit fixe)– Filtration ascendante

– Lavage descendant

1-2 h temps

de séjour

3-4m 12 m


Biofiltre aérobie: SIAAP

Vue générale et vue de dessus de

réacteur Biostyr

– Pilote SIAAP à Colombes



Plafond filtrant de

réacteur Biostryr

– Pilote SIAAP à

Colombes



Matériau: billes polystyrène (collecte)



Lavage des biofiltres Biostyr

– Pilote SIAAP à Colombes


4.4. Boues activées

Principe & technique

– Bassins d ’aération

• Bactéries floculées (spontanément)

• Aération: surface ou bulles (séquencé)

• Agitation, brassage des boues

– Décanteur secondaire

• Boues recyclées (en partie) en tête de bassin

d ’aération

• Eau épurée : rejetée en rivière, lac ou littoral



Bassin d’aération + Décanteur

Décanteur

secondaire

Effluent

épuré

Recirculation des boues

Eaux usées

pré-traitées

Boues en excèsO2

S. Gillot, Cemagref, 2002

Schéma général de l’installation

– Bassin d’aération: mélangé, chenal ou boucle

– Décanteur secondaire


4.4 Systèmes d ’aération

Aérateurs de surface : projection de

l’eau dans l’air

– Brosses

– Turbines

Systèmes à insufflation d’air

– Moyennes bulles

– Fines bulles

– Systèmes déprimogènesS. Gillot, Cemagref, 2002


4.4 Aérateurs de surface

- Turbines



4.4 Aérateurs de surface

- Brosses



4.4 Insufflation d’air -

Fines bulles



Disque

4.4 Diffuseurs fines bulles

PlaqueTube



4.4 Chenal d’aération



4.4 Chenal d’aération -

Insufflation d’air +

agitation



4.4 Chenal d ’aération



4.4 Chenal oblong




Zone anoxique en tête: dénitrification

Nitrates + MOOx N2 + CO2

– Absence d’oxygène : réduction des nitrates

• Bassin couvert

– Réduction par matière organique

• Apport par eaux usées non traitées

– Bactéries nécessaires

• Recirculation des boues du décanteur secondaire

• Bactéries à croissance lente



Zones anoxiques de dénitrification

– Zone de tête : re-circulation boues anoxiques



Bio-Denitro: chenaux de dénitrification et nitrification alternées


Essen: traitement

Station épuration

– Boues activées (bassin recouvert: odeurs)

D. Thévenot 1991


4.5. Boues activ.: bases de

dimensionnement

Schéma général



4.5 Boues activ.:

dimensionnement

Hypothèses simplificatrices

– Réacteur homogène (mélange intégral)

• DBO5 entrée S0 = L0 sortie Sf = Lf

réacteur S = Lf

– Pas d ’épuration biologique dans le

décanteur

– Purge de boues négligée

– Recyclage d ’eau totalement épurée (L = 0)


4.5 Boues activ.:

dimensionnement

Hypothèses simplificatrices (suite)

– Equation de croissance cellulaire de

Monod (semblable à cinét. enzymatique)

• dB / dt = µmax B . L / (L + KM,L )

– Biodégradation d ’ordre 1 vis à vis de L

pour limiter la production de boues

dB / dt = µmax B . L / KM,L si L < KM,L

dB = - Y dL avec Y rendement de

croissance cellulaire

dL/dt = - L B (µmax / Y KM,L ) = - L B K*


4.5 Boues activ.:

dimensionnement

Équations de base

– MOOx = DBO5

• entrante L0

• sortante Lf

– Débit Q constant

– Constante de biodégradation

K*

BLKdt

dL*

Q

VT

Q Lo

Q Lf

(Lo - Lf)

ce qui entre

ce qui sort

ce qui est biodégradé


4.5 Boues activ.:

dimensionnement

Cinétiques de biodégradation

– Etat stationnaire: bilan de MOOx dans

bassin à temps de séjour T = V / Q

– Résultat

ff LV

QBLKL

V

Q *0

ff BLKLLV

Q*)( 0

f

f

L

LL

BTK

)(1*

0

1

1* 0

fL

L

BTK


4.5 Boues activ.:

dimensionnement

F. EdelineÉpuration biologique des eaux (1993)

Effluent de brasserie

– Lf proportionnel

à L0 - Lf = L

– tséjour = 3 h

– B = 3,5 g MVS/l

K* = 0,86 l/mg/h


4.5 Boues activ.:

dimensionnement

Types

– K* =

0,15

à

0,86

L/mg/h

F. EdelineÉpuration biologique des eaux (1993)


4.6 Traitement biol.

aérobie: cultures mixtes

Principe

– Bactéries libres et bactéries fixées sur granulés ou

grillage

Avantages

– Pas besoin de lavage (décolmatage), concentration

élevée en bactéries

Inconvénients

– Pas de filtration, support nécessaire

Technique

– « Circulating bed reactor » (CBR): grillage vertical

– « Biofilm Airlift Suspension » (BAS): granulés + air


4.6 Cultures mixtes: CBR


4.6 Cultures mixtes: BAS

Biofilm Airlift

Suspension

(BAS):

granulés + air


4.6 Traitement biol.

aérobie: conclusion

Biodégradation aérobie facilitée

Pas de réactif (sauf oxygène !)

Pas de contamination

– Mais boues adsorbent les micropolluants

Seule dépense: aération

Mais : mise en route et réglage très lent

– Bien adapté à population stable

procédé d’épuration le plus répandu !



aérobie

Des questions ?



anaérobie: introduction

Introduction

– Fermentation méthanique: phénomène naturel

dans les milieux anoxiques riches en matière

organique gaz des marais

– Utilisation « ancestrale » en Asie : déjections

animales et humaines

– Permet de réduire la quantité de matière

organique (1/3) et de produire du méthane

– Bactéries anaérobies à croissance très lente

35°C

– Biogaz: méthane (65-70%) énergie thermique



anaérobie

Mécanisme

– Hydrolyse

– Acidogénèse

– Méthano-génèse

F. Edeline,Épuration biologiquedes eaux (1993)


5- Traitement anaérobie

Processus de digestion anaérobie



Techniques de digestion anaérobie

– Réacteur fermé: pas d’oxygène

– Culture bactérienne• Libre: suspension (recirculation biogaz) ou fixe

• Fixée: biofiltre (lit fixe) ou lit fluidisé (recirculation)

– Recirculation des boues: décanteur associé

– Parfois: hydrolyseur précède le digesteur• Optimisation des temps de séjour



Technique: Culture libreCulture en suspension Südzucker, Offstein (D)

(recirculation

du biogaz)

Lit de

boues



Technique: Culture fixée• Lit fixe

laiterie St Hubert

Magnières (F)

(ascendant)

• Lit fluidisé

El Aquila (SP)

(ascendant)



Méthanisation = dismutation redox

– Dismutation redox de la matière organique

• CxHyOzNt A CO2 + B CH4 A ? B ?

• N organique NH3 (soit NH4+ à pH 7)

– Oxydation de la matière organique

• CxHyOzNt CO2 + NH3 + H2O + {H+ + e-} avec x C, t N et (z - 2x) H2O à droitedonc (4x + y - 2z - 3t) H à droite A

• CxHyOzNt x CO2 + t NH3 + (z - 2x) H2O + (4x + y - 2z - 3t) {H+ + e-}




– Réduction de la matière organique

• CxHyOzNt + {H+ + e-} CH4 + NH3 + H2O

avec x C, t N & z H2O à droite

donc (4x – y + 2z + 3t) H à gauche

• CxHyOzNt + (4x - y + 2z + 3t) {H+ + e-}

x CH4 + t NH3 + z H2O

B = 4x - y + 2z + 3t




– Bilan redox global

• si A = (4x + y - 2z - 3t) et B = (4x - y + 2z + 3t)

CxHyOzNt x CO2 + t NH3 + (z - 2x) H2O +

(4x + y - 2z - 3t) {H+ + e-} * B

CxHyOzNt + (4x - y + 2z + 3t) {H+ + e-} x CH4

+ t NH3 + 2x H2O * A

• soit (A + B) CxHyOzNt A x CH4 + B x CO2 +

(A + B) t NH3 + {A z + B (z - 2x)} H2O

• avec A + B = 8 x



– Exploitation

• Composition du biogaz

(nb moles ou volume)

– Exemple du glucose C6H12O6: CH4/CO2 = 24/24 = 1

soit 50% de méthane dans le biogaz

– En pratique: 60-70 % méthane

• Volume de méthane (L) / g de CxHyOzNt

VCH4 = (22,4/8) (4x+y-2z-3t) / (12x+y+16z+14t)

VCH4 (L/g) = 2,8 (4x+y-2z-3t) / (12x+y+16z+14t)

– Exemple: glucose VCH4 = 2,8 x 24 / 180 = 0,37 L/g


tzyx

tzyx

CO

CH

324

324

2

4



Conclusions: que retenir ?

– Long temps de séjour des eaux: 12 à 42 j

– Performances: adapté aux effluents chargés• Cultures libres 1-2 kg DCO / m3 /j

• Cultures fixes lit fixe 10-32 kg DCO / m3/j

lit fluidisé 30-35 kg DCO / m3/j

– Domaines d ’utilisation• Résidus solides: IAA, agriculture, ordures, algues

• Effluents industriels liquides: DCO > 1000 mg/L

– Problèmes• Mise en route longue (mois) par croissance lente des

bactéries, instabilité (pH)



anaérobie

Des questions ?



Introduction: production de boues en

station d ’épuration



Quels problèmes posés par ces boues?

– Liquides

– Fermentescibles

– Génération d’odeurs

– Porteurs de germes pathogènes

Objectifs du traitement

– Stabilisation: réduction de leur fermentation

– Réduction de leur volume: filtration, séchage

– Valorisation agricole ou environnementale



Boues

– Décantation primaire: 50-60 g/L

– Décantation secondaire: 5-10 g/L

Digestion aérobie ou anaérobie

– Aérobie moins de boues à traiter

– Anaérobie moins de boues, biogaz

Stabilisation

– Chimique: coagulation (addition Al3+ ou Fe3+) &décantation

– Thermique: cuisson à 150-200°C (sous pression)pendant 30-60 min



Diminution de volume– Séchage: naturel (lits pendant 3-6 semaines)

– Epaississement: décantation, flottation, centrifugation

– Filtration: à bande presseuse (continu), à plateaux,sous vide

– Incinération après séchage: 750 à 900°C cendres

• ex: STEP Seine centre (Colombes), Pierre-Bénite (Lyon)

Valorisation– Épandage liquide en champ

– Compostage avec déchets organiques (bois, paille,ordures ménagères)

– Mise en décharge contrôlée: interdite, sauf pourdéchets « ultimes »



Lits de séchage: cas de l’usine de

Méry sur Oise (production eau

potable SEDIF)

– 2500 m2

– Boues de traitement de

coagulation (Al) et filtration



Procédés de séchage thermique– Hydroplus (2004) 146, 28-37

– Direct ou par convection• Tambours ou bandes 90% siccité + grand volume de

fumées grosses STEP

– Indirect ou par conduction• Couches minces, disques, plateaux, conteneurs… 60

ou 90% siccité + faible volume de fumées + brassage des boues nécessaire

– Mixte• Couche mince turbulente 60 à 90% siccité + faible

temps de séjour + capacité limitée (< 4 t/j)

– Solaire• Serre + retournement des boues 50 à 85% siccité +

surface importante + atmosphère dans serre (NH3)



Filières de traitement et siccité

– Hydroplus (2004) 146, 28-37

Traitement Siccité Commentaires

Epandage 90% Stabilisation nécessaire

Incinération 28-45% Dépend du four utilisé

Incinération

avec ordures

60-65% Parfois 90% nécessaire

Cimenterie 92% Filière émergente

Décharge > 30% 70-80% pour limiter volume


6. Mise en dépôt (enfoui)

Déchets « ultimes » seulement

– Imperméabilisation & contrôles réguliers

Ademe, 2003



Coûts comparés

Points Sciences et

Techniques, 5, 1994

En 2001: 300 € / t m.s.

En 2001: 400 € / t m.s.



Europe des boues

– France 1999 :

850.000 t m.s./an

60 % épandage



Épandage, incinération ou décharge

IFEN

2001



Utilisation des boues de STEP (2001)– 976.700 t m.s.

– 50% valorisationagricole (98: 62%)

– 6% compost

– 24% déchargescontrôlées (Corse,PACA, Limousin):déchets ultimes ? (1/7/2002)

– 17% incinérées(Haute Normandie, Rhône-Alpes, Alsace)

IFEN 2004



Acceptabilité

des épandages

– Eviter sols

• sablonneux

• granitiques

IFEN2001Mesures de caractérisation des sols: incomplètes en 2001



Marseille

– 3.000 m3/j

– Épaississement

– Digestionanaérobie (35°C)

– Aération boues

– Épaississement

– Cuisson: 190°C 30 min

– Valorisation en sylviculture



Pierre Bénite (Lyon): 2004-2005

– Épaississeur ou

flottateur

– Centrifugeuses

– Incinération

– Traitement des fumées


Pierre Bénite (Lyon)

Incinérateur: 2004

D. Thévenot 2004


Pierre Bénite (Lyon)

Traitement des

fumées

D. Thévenot 2004



Conclusion

– Un poste clé dans le dimensionnement des stations d ’épuration

– Amélioration significative de la qualité des boues

• Mise en place de traitements sur site industriel

• Chasse aux rejets de toxiques

– Évolution de l ’état d ’esprit du public• Engrais « gratuit » pour épandage tous les 5-10

ans

• Sécurité alimentaire

• Surenchère des grandes surfaces et industriels de l ’agroalimentaire



Des questions ?


7- Traitement tertiaire

Introduction– En STEP ou chez industriel (avant rejet en

réseau d ’assainissement)

– Biologique ou physico-chimique

Nitrification– NH4

+ NO3

-

– Biologique (aéré, culture libre ou fixée) ou physico-chimique (échange d’ions)

Dénitrification– NO3

- N2

– Biologique (anaérobie: réduction par MOOx)ou physico-chimique (échange d’ions)


7- Traitement tertiaire

Déphosphatation

– Accumulation dans les boues

– Biologique (alternance aéré-anaérobie) ouphysico-chimique (addition Fe3+ ou Al3+

comme coagulation-floculation)

Traitement des métaux lourds

– Précipitation en milieu basique (hydroxyde)

– Electrolyse sur feutre ou billes de C

Stérilisation des eaux

– Limité aux rejets proches des baignades

– Cl0-, O3, UV...


8- Procédés rustiques

d'épuration

Introduction– Utilisation de procédé « naturel »

Lagunage naturel– Principe

• aération libre

• culture libre: algues,bactéries, roseaux

• séjour long (semaines)

– Réalisation

– Type d ’applications• rural: 100-1000 hab.


8- Lagunage naturel

3 bassins allongés, peu profonds

(1m), reliés par des canalisations

– 15 m2 / habitant

• Rustique extensif

• 100 à 1000 hab.


8- Lagunage aéré

2 bassins allongés

+ aération à turbines

– 3,5 m2 / habitant

• Rustique extensif, lagune plus profonde (2,5 m)

• 300 à 2000 hab.


8- Lagunage aéré

Station épuration Roscoff (1998)

D. Thévenot, Cereve, 1998


8- Procédés rustiques

d'épuration

Des questions ?


9- Assainissement

autonome

Introduction– Coût du réseau d ’assainissement si habitat

dispersé (env. 30% de la population : )

Fosse et épandage souterrain– Principe

• Fosse septique (3-5 m3) : hydrolyse, liquéfaction• Sol bien aéré: biodégradation aérobie• Drainage des eaux traitées par le sol

– Réalisation• Fosse septique + épandage de faible profondeur

– Type d ’applications• Habitations isolées (4-7 pièces)


9- Assainissement

autonome

Fosse septique toutes eaux

– Eaux toilettes, WC et cuisine-lavage


9- Assainissement

autonome

Fosse & tranchées


9- Assainissement

autonome

Sol impropre à épandage

– Filtres à sable pour épandage de surface:

filtre horizontal


9- Assainissement

autonome

Sol impropre à épandage

– Filtres à sable pour épandage de surface: filtre vertical


9- Assainissement

autonome

Des questions ?


10- Conclusion

Recherche et développement

– Pays développés : compacité, automatisation

– Pays en développement : rusticité,

réutilisation

Études de cas

– STEP région parisienne: Biologique

– STEP Seine Aval: Achères

– STEP Seine Centre: Colombes (urbain)

– STEP Toulon: cap Sicié (naturel)

– STEP de Pierre Bénite (Lyon): 2004-2005


10- STEP Seine aval

Achères IV• Décanteurs primaires, secondaires


10- STEP Seine aval

Achères I

& II


10- STEP Seine aval

Achères III & IV


10- STEP Seine aval

Evolution récente (2004)

– Temps sec: traitement tertiaire de

déphosphatation (après boues activées)

par addition Fe III

– Temps de pluie: traitement secondaire en

parallèle (débit doublé)

• Boues activées

• Traitement chimique: coagulation, floculation…

– Mise en place de nitrification (2007)

• Biofiltres BIOFOR (après déphosphatation)


10- Seine Centre

Colombes (construction en 1998)


10- Seine Centre

Temps sec : biofiltres en série

– 2,8 m3/s soit 240.000 m3/j

Temps de pluie: biofiltres en parallèle

– 12 m3/s pendant 8 h


10- Seine Centre

Circuit eau

Primaire

Biologique: C,

nitrif, dénitrifDécanteurs

lamellaires & P

Incinérateurs de boues


10- Stations d ’épuration

de Douai

Douai, Biofutur, 2/2003


10- STEP: Toulon

Implantée sous le

cap Sicié

– Totalement cachée

D. Thévenot, 2000


10- STEP: Toulon

Collecte

de Toulon

et

environs

Trait.

chimique

& filtre

biologique


10- STEP: Pierre Bénite

En cours de (re)construction: 2004-

2005 au sud de Lyon

– 6000.000 m3/j (pointe à 25.200 m3/h)

– Vocation pédagogique: circulation publique



Dégrillage (2)

– 6 cm entre barreaux * 3 m de large

– Débit maximal: 25.200 m3/h

Tamisage (5)

– 6 mm * 12 m de large

– Débit maximal: 5.000 m3/h

Dessablage - deshuilage associés (6)

– Taille des bassins: 5 x 30 m



Décantation primaire lamellaire (6)– Taille des bassins: 13 x 13 m

– Surface: 3.000 m2

– Temps sec: 12.600 m3/h traitement biologique

– Temps pluie: rejet dans Rhône sans traitement de

l’excédent à 12.600 m3/h

Boues activées (4)– 30.000 m3 de forme oblongue

– Aérateurs de fond (1700)

– Agitateurs à pales (8)



Bassin d’aération à boues activées



Clarificateurs circulaire (8)– Diamètre 55 m rejet en Rhône

Epaississeur (3) pour boues primaires– Diamètre: 22,5 m; hauteur 3,5 m

Flottateurs (2) pour boues secondaires– Micro bulles d’air par détente boues flottent !

– Diamètre: 16,7 m

Centrifugation (4) des 2 types de boues– Débit: 30 m3/h 28% de siccité

Incinération des boues (2)– Lit fluidisé 20 t/j de cendres

– 4 Traitement des fumées (24.000 Nm3/h): électro-filtre, quench, laveur, charbon actif

Traitement des matières extérieures: vidange de fosses, curage, graisses…



Pierre Bénite (Lyon): 2004-2005

– Épaississeur ou

flottateur

– Centrifugeuses

– Incinération

– Traitement des fumées


10- Conclusion

Des questions ?

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